ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

Тема. Материальные основы наследственности. Лекция 2 План. Носители наследственной информации. Генетические процессы в клетках. Свойства генетического кода. Упаковка ДНК в хромосомах. 1. 2. 3. 4. Перед делением клетки ядерный материал (хроматин) претерпевает определенные физико­ химические изменения, приводящие к конденсации нитеобразных структур ядра. Эти образования морфолог В. Вальдейнер (1888) предложил назвать хромосомами (от греч. Chromatos – цвет + soma – тело), поскольку они интенсивно окрашивались некоторыми красителями. Для каждого вида растений и животных характерно свое число и свои морфологические особенности хромосомного набора, т. е. определенный кариотип. В норме все хромосомы клеток организма эукариот парны, т. е. каждая хромосома имеет своего аналогичного по размеру, форме и особенностям расположения генов гомолога, и составляет двойной (2n), или диплоидный набор. Только зрелые половые клетки содержат одинарный (n) или гаплоидный набор хромосом (от греч. Haplous – одинарный). Видимое строение хромосом и их морфология. Любая   хромосома   состоит   из   двух   плеч.   Под   микроскопом   первичная   перетяжка представлена   светлой   зоной,   получившей   название   –   центромера   (кинетохора),   которая   играет основную роль в перемещении хромосомы при делении ядра. Центромера занимает на каждой из хромосом   строго   определенное   место.   По   положению   центромер   хромосомы   делят   на метацентрические   (1,2)   –   равноплечие;   субметацентрические   (3)   –   неравноплечие; акроцентрические (4,5) – головчатые, у которых центромера сдвинута к одному из концов. 1 2       3 4 5 У некоторых хромосом имеется и вторичная перетяжка. Она, как правило, располагается у дистального   конца   хромосомы   и   отделяет   небольшой   ее   участок,   носящий   название   спутника. Поскольку   в   месте   ее   локализации   происходит   образование   ядрышка,   ее   назвали   ядрышковым организатором.   Концевые   участки   хромосомы   называют   теломерными.   Они   препятствуют   ее соединению с другими хромосомами. Когда деление закончено и формируются новые клеточки ядра,   то   с   помощью   теломер   хромосомы   прикрепляются   к   внутренней   ядерной   мембране,   в результате   чего   каждая   хромосома   в   деспираллизованном   состоянии   занимает   в   ядре   строго определенное место. Помимо того теломерные районы препятствуют слипанию хромосом своими концами   и   препятствуют   образованию   дицентриков­хромосом   с   двумя   центросомами,   наличие которых   свидетельствует   о   патологических   картинах   митоза.   Одновременно   теломеры стабилизируют   хромосомы,   защищая   их   от   деградации   клеточными   нуклеазами   –   ферментами, катализирующими   гидролиз   всех   незащищенных   ДНК   или   их   фрагментов.   В   последнее   время известно еще одно назначение теломерных концов. Благодаря им происходит полное завершение редупликации хромосом при подготовке клетки к делению. В метафазе хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных между собой в районе первичной перетяжки. Каждая   хроматида   содержит   одну  из   двух   идентичных   дочерних   ДНК,   образующихся   в процессе   репликации.   Мол.   ДНК   представляет   собой   непрерывную   сверхскрученную   двойную спираль, простирающуюся по всей длине хроматиды. Функционально эта нить подразделяется на большое число отрезков, соответствующих определенным генам. Каждый ген несет информацию о первичной структуре отдельной полипептидной цепи, рибосомной РНК, транспортной РНК или 1 выполняет   регуляторную   функцию.   Кроме   того,   в   составе   непрерывной   нити   ДНК,   наряду   со смысловыми генами, находятся многократно повторяющиеся одинаковые или сходные по составу нуклеотидные   последовательности,   выполняющие,   вероятно,   регуляторные   или   структурные функции. Информация о первичной структуре полипептидов записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК.   Каждой   аминокислоте   соответствует   определенный   триплет   из   трех   соединенных нуклеотидов.   Например,   аминокислоте   фенилаланин   в   ДНК   соответствует   кодон   ААА,   а аминокислоте   серин   –   АГА.   Из   64   возможных   триплетов   61   кодирует   20   аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 кодона являются стоп­сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Если триплет соответствующий метионину стоит в начале цепи ДНК, то он выполняет функцию возбуждения считывания (кодоны, выполняющие сигнальные функции называют нонсенс – кодонами). Генетический код вырожден, т. е. каждая аминокислота может кодироваться несколькими вариантами   триплетов.   Для   осуществления   синтеза   полипептидов   генетическая   информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается на и­РНК, которая переходит из ядра в   цитоплазму,   где   принимает   участие   в   процессе   трансляции:   переводе   информации   с   языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза белка. Суть кода заключается в том, что полседовательность расположения нуклеотидов в и­РНК определяет   последовательность   расположения   аминокислот   в   белках.   Этот   код   называют генетическим.   Носителем   генетической   информации   является   ДНК,   но   т.   к.   непосредственное участие в синтезе белка принимает и­РНК – копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК. Вспомним свойства генетического кода. 1. Код триплетен. Каждая аминокислота из 20 зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т. е. трилпетом, который получил название кодон. Каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном. 2. 3. Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. Между   генами   имеются   знаки   препинания   (стоп­сигналы).   В   генетическом   коде имеются три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Они находятся в конце каждого гена. 4. Внутри гена нет знаков препинания. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере, составленной из триплетов фразы: «Жил – был кот тих был сер мил мне тот кот». Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву, то получится бессмыслица: «илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от. Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Код универсален, т. е. код один для всех живущих на земле существ. 5. В   пределах   одного   гена,   который   кодирует   полипептид,   участок   молекулы   ДНК подразделяется   на   функционально   различные   единицы.   Отличительная   черта   строения   многих генов   эукариот   –   прерывистость   структуры   смысловой   части.   Смысловые   участки,   несущие информацию   о   последовательности   аминокислот   в   белке   –   экзоны,   чередуются   с   участками некодирующих   последовательностей   интронами.   Часто   интроны   по   длине   могут   превосходить экзоны. Строение нуклеотида ДНК: Т – Тимин, Г – Гуанин, А – Аденин, Ц – Цитозин. Пуриновые азотистых основ – А и Г, пиримидиновые – Ц и Т. РНК: А, Г, Ц, У – Урацил. Азотистое основание ковалентно   соединено   с   первым   атомом   углерода сахара и формирует структуру – нуклеотид. Фосфатные группы соединяют соседние нуклеотиды в 2 полимерную цепочку посредством фосфодиэфирных связей между 51  – атомом углерода одного сахара и 31 – атомом углерода другого.        О О = Р   О   СН2        О       О тимин д­рибоза                          О                    О = Р   О   СН2              О                          О                                                                Д­рибоза аденин Сцепление между цепями обеспечивается особыми водородными связями между аденином и тимином   и   между   гуанином   и   цитозином.   Водородные   связи   много   слабее   ковалентных, соединяющих   отдельные   атомы   каждого   нуклеотида,   но   достаточно   сильны,   чтобы   обеспечить специфичность   образования   пар   А  –   Т,   Г   –   Ц.   Такое   парное   сопоставление   нуклеотидов,   при котором А комплементарен Т, а Г комплементарен Ц, было выявлено с помощью молекулярных моделей, в которых точно воспроизводились в масштабе все межатомные расстояния. Пространственная   модель   молекулы   ДНК   показала   характер   закрученности   цепей   друг относительно друга к плотности упаковки пар азотистых оснований в двойной спирали. Кроме того,   построение   молекулярной   модели   гипотетической   двойной   спирали   потребовало «антипараллельности» нуклеотидных цепочек, как это изображено на рисунке. Упаковка ДНК в хромосомах. Молекулы   ДНК   в   эукариотических   клетках   очень   велики.   Так,   длина   молекул   ДНК, выделенных из клеток человека достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое   количество   хромосом   у   млекопитающих   можно   сказать,   что   в   среднем   у   них   на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре длиной менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекулы ДНК, чтобы обеспечить ее упорядоченное функционарование. Молекулы   ДНК   в   ядрах   эукариот   всегда   находятся   в   комплексе   с   белками   в   составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядра в результате сложного процесса   раскручивания   (деспирализации)   хромосом.   На   долю   белков   приходится   около   60% сухого вещества хроматина. Белки в его составе очень разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны осуществляют первые этапы упаковки ДНК. На долю гистонов приходится 80% всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Гистоны   не   отличаются   большим   разнообразием.   Это   глобулярные   белки,   представленные   5­7 типами молекул. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием лизина и   аргинина.   Положительные   заряды   на   аминогруппах   обеспечивают   электростатическую   связь гистонов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. 1 этап упаковки ДНК в хроматине – нуклеосомы – частицы в сердцевине восемь молекул: по 2  гистонов  по поверхности  сердцевины   располагается   участок  ДНК из   146 нуклеотидных  пар, образующих 1,75 оборота вокруг сердцевины. Между ними небольшой участок – линкер (от 8 до 114 нуклеотидных пар) – бусы. 2   этап   –   нуклеомерный   –   упорядоченная   структура   спирального   типа,   которую   часто называют соленоидом. Повышает компактность ДНК еще в 40 раз. 3   этап   –   объединение   скрепками   из   негистоновых   белков   фибрилл дезоксирибонуклеопротеида в петлевой домен, называемый хромомером. 3 4   этап   –   образование   хромонем.   Далее,   по­видимому,   хромонема   укладывается   в   виде спирали в хроматиде, хотя вполне вероятно, что это еще один уровень «петлистых структур» 4